Содержание к диссертации
Введение 3
Глава 1. Анализ способов реализации ШИМ в трехфазных АИН 8
"Классическая" синусоидальная ШИМ, ее достоинства и недостатки.... 12
Векторная ШИМ, ее достоинства и недостатки 18
Модернизация синусоидальной ШИМ 37
Глава 2. Разработка математических моделей АИН с различными
вариантами ШИМ 55
Математическое моделирование АИН с синусоидальной ШИМ 55
Математическое моделирование АИН с векторной ШИМ 69
Глава 3. Исследование свойств трехфазных АИН с различными
вариантами ШИМ и выбор оптимальных вариантов 84
Энергетический критерий 85
Спектральный критерий 92
Глава 4. Постоянные составляющие в выходном напряжении АИН, управляемых по принципу ШИМ, их влияние и способы устранения... 102
Причины появления постоянных составляющих в выходном напряжении автономных инверторов, управляемых по принципу ШИМ 102
Способы устранения постоянных составляющих в выходном напряжении автономных инверторов, управляемых по методу синусоидальной ШИМ... 108
Способы устранения постоянных составляющих в выходном напряжении
автономных инверторов, управляемых по методу векторной ШИМ 116
Глава 5. Практическая реализация трехуровневого АИН управляемого
по принципу ШИМ 122
Заключение 130
Библиографический список использованной литературы 132
Приложение А 140
Введение к работе
Актуальность работы. Трехфазные автономные инверторы напряжения (АИН) с управлением ключами по принципу широтно-импульсной модуляции (ТІ ТИМ) на высокой несущей частоте являются основным типом преобразователей частоты для регулируемого электропривода переменного тока во всем диапазоне мощностей [16, 21, 44, 45]. Фактически все выпускаемые на сегодняшний день частотно-регулируемые электроприводы переменного тока с АИН имеют реализацию ШИМ по одному из двух наиболее распространенных методов: синусоидальному или векторному [15].
До недавнего времени главенствующим методом реализации ШИМ в регулируемых электроприводах переменного тока был метод синусоидальной центрированной (симметричной) ШИМ, но с развитием микропроцессорных систем все чаще стал применяться метод векторной ШИМ. Обзор современной литературы показал, что векторная ШИМ считается наиболее перспективной, по сравнению с синусоидальной, по ряду характеристик. Однако, в опубликованной литературе не существует полного обзора всех вариантов ШИМ с анализом их достоинств и недостатков с учетом изменения свойств АИН в зависимости от способа управления.
Практические исследования регулируемых приводов переменного тока с АИН, работающих по принципу ШИМ, показали, что в зависимости от частоты задания и опорной частоты в выходном напряжении АИН могут появляться постоянные составляющие, значение которых зависит от частоты задания. Данная проблема не нашла отражения в научной литературе.
Целью работы является исследование свойств и выявление достоинств и недостатков различных способов управления АИН по принципу ШИМ при работе на двигательную нагрузку. Анализ ШИМ с учетом динамических свойств трехфазных инверторов напряжения, а также поиск, анализ и разработка методов устранения выявленных недостатков.
Идея работы заключается в создании достоверных математических
4 моделей АИН с двигательной нагрузкой с различными вариантами ШИМ, позволяющих проводить исследования и анализ свойств трехфазных инверторов напряжения, а также в выявлении причин возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении и токе АИН, разработке способов их устранения для различных вариантов ШИМ. Научные положения, выносимые на защиту:
Анализ различных вариантов управления АИН по принципу ШИМ с предложением выбора оптимальных вариантов и анализ характеристик ШИМ с помощью выделения гладких составляющих выходного напряжения АИН.
Способ синусоидальной ШИМ с модифицированной предмодуляцией, основанный на формировании модифицированных фазных напряжений задания АИН из отрезков прямых линий и синусоид или из отрезков прямых и управляющих сигналов особой формы, соответствующих по форме линейным напряжениям.
Модификация "классической" синусоидальной ШИМ путем предмодуляции третьей гармоникой, с добавлением сигнала третьей гармоники только тогда, когда амплитуда относительного напряжения задания больше единицы.
Анализ причин возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении АИН и способы их устранения для различных вариантов ШИМ.
Научная новизна заключается:
— в анализе различных вариантов управления АИН по принципу ШИМ,
отличающемся от известных в литературе тем, что на основе математических
моделей проанализированы все основные варианты реализации ШИМ с учетом
основных критериев оценки качества ШИМ для АИН с двигательной
нагрузкой, а также в предложенном выборе оптимальных вариантов ШИМ на
основе результатов проведенного анализа;
- в спектральном анализе гладких составляющих в выходном
напряжении АИН позволяющем уточнить определение наиболее существенных
гармоник без учета высокочастотных пульсаций;
в разработанном способе синусоидальной ШИМ с модифицированной предмодуляцией, основанном на формировании модифицированных фазных напряжений задания АИН, отличающемся от известных в литературе тем, что сигналы модифицированных фазных напряжений задания формируются из отрезков прямых линий и синусоид, или из отрезков прямых и управляющих сигналов особой формы, соответствующих по форме линейным напряжениям, а также в выводе формул для вычисления коммутационных функций фаз АИН с использованием логических сигналов zj (/-1...6), соответствующих отдельным шестидесятиградусным секторам периода основной частоты, принимающих значение 1 на каждом j-м интервале и 0 на остальных;
в модификации "классической" синусоидальной ШИМ путем предмодуляции третьей гармоникой, отличающейся от известных в литературе тем, что сигнал третьей гармоники добавляется к сигналу задания только тогда, когда амплитуда относительного напряжения задания больше единицы, при этом значение добавляемого сигнала изменяется пропорционально амплитуде напряжения задания;
в анализе причин возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении и токе АИН и разработанных способах их устранения для различных вариантов ШИМ, не имеющих аналогов в известной литературе.
Практическая ценность состоит в том, что:
разработанные математические модели для различных вариантов управления АИН по принципу ШИМ, могут быть использованы для имитационного моделирования преобразовательной техники с двигательной нагрузкой;
предложенный способ синусоидальной ШИМ с модифицированной предмодуляцией, основанный на формировании модифицированных фазных напряжений задания АИН из отрезков прямых линий и синусоид, соответствующих по форме линейным напряжениям, или из отрезков прямых и управляющих сигналов особой формы, имеет в ряде применений преимущества по энергетическим и спектральным характеристикам перед другими способами
реализации ТТТИМ и может широко применяться в управлении АИН;
полученные формулы для вычисления коммутационных функций фаз АИН с использованием логических сигналов z,- (/-1...6), соответствующих отдельным шестидесятиградусным секторам периода основной частоты, принимающих значение 1 на каждом у-м интервале и 0 на остальных, позволяют упростить вычисление коммутационных функций управления ключами АИН;
представленный анализ оптимальных вариантов ШИМ по результатам исследования свойств трехфазных АИН может быть использован для выбора оптимального способа управления АИН в зависимости от области применения;
разработанные способы исключения постоянных составляющих в выходном напряжении и токе АИН для различных вариантов ТТТИМ запатентованы и используются в системах управления электроприводами.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием теорий электропривода, векторной алгебры, нелинейных и дискретных систем управления и спектрального анализа. При проведении расчетов и моделировании на ЭВМ использовался программный продукт MATLAB 7.0, а также входящее в его состав средство визуального программирования Simulink. Практическая реализация проводилась на сигнальном процессоре ADSP-21992 фирмы Analog Devices с применением программного пакета VisualDSP 3.5, программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) ЕРМ1270Т144С5 фирмы Altera с применением программного продукта Quartus II 6.0 и ряде микропроцессоров ATmega фирмы Atmel.
Достоверность результатов научных исследований и выводов подтверждена как на экспериментальном этапе, на макетном образце, так и внедрением разработанных систем управления АИН в опытно-промышленную эксплуатацию.
Реализация работы. Компьютерные модели системы управления ключами АИН по принципу ШИМ использовались при разработке
7 высоковольтного частотно-регулируемого электропривода серии ЭПВ1 в ОАО «ВНИИР» (г. Чебоксары), на котором практически были отработаны способы исключения постоянных составляющих в выходном напряжении автономных инверторов для различных вариантов ІІГИМ. Данный электропривод с применением разработанного способа исключения постоянных составляющих с 2008 г. находится в опытно-промышленной эксплуатации на Новочебоксарской ТЭЦ-3 (г. Новочебоксарск), на насосе аккумуляторных баков НАБ-3.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: IV республиканской научно-технической конференция молодых специалистов (г. Чебоксары, 2006 г.); V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Санкт- Петербург, 2007 г.); V республиканской научно-технической конференции молодых специалистов (г. Чебоксары, 2007 г.); VI республиканской научно-технической конференции молодых специалистов (г. Чебоксары, 2008 г.); конференции аспирантов и студентов, посвященной памяти профессора, доктора технических наук А. Д. Поздеева (г. Чебоксары, 2008 г.); первой международной конференции молодых специалистов ABS Holdings (г. Чебоксары, 2009 г.); VIII Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (ДНДС-2009) (г. Чебоксары, 2009 г.); VII республиканской научно-технической конференции молодых специалистов (г. Чебоксары, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 патента на изобретение Российской Федерации.
